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具有鲁棒性的最优干扰观测器的系统性设计及其应用

尹正男  
【摘要】:高性能高精度运动控制是提升机器人行为能力的重要因素之一。随着对机器人控制性能的要求越来越高,机器人伺服运动控制方法已经从基于单纯反馈控制的阶段发展为采用非线性、鲁棒、智能控制等先进控制方法的阶段。针对机器人受控对象存在强耦合、参数摄动和未建模扰动等特性,需要采用高效的控制策略才能满足其对于伺服控制高精度性能指标的要求。干扰观测器是提高耦合、扰动系统鲁棒性的有效的手段,而被广泛应用于机器人关节的伺服控制中,以实现高速、高精度的定位控制、跟踪控制等目标。 本文从干扰和噪声的最优抑制角度出发,研究干扰观测器最优鲁棒设计方法及其在控制系统中的应用。具体研究工作包括以下几个方面: (1)在干扰观测器设计理论方面,考虑到现有干扰观测器设计方法缺乏系统性和全局最优性的问题,利用H∞范数定义包括干扰抑制性能、噪声抑制性能、鲁棒性等优化性能在内的优化评价函数,通过理论分析和数学变换,建立了优化干扰观测器的新的系统性求解方法。通过提出虚拟回路成形概念,将干扰观测器的设计问题变换为等效的虚拟回路成形问题;在此基础上,深入考察了干扰观测器Q–滤波器的阶次和结构条件(如整体阶次、相对阶次、内模阶次等),并转化成虚拟受控对象的结构和加权函数的阶次及构造约束。通过以上变换,可以将带有多个约束条件的非标准H∞干扰观测器设计问题转换为满足标准性前提条件又不带结构约束的H∞范数优化问题,以便用直接的系统性求解方法设计优化干扰观测器。 (2)针对模型参数摄动时的鲁棒稳定性问题,考虑到现有干扰观测器设计方法只保证局部回路的鲁棒稳定性,而无法保证整体闭环系统的鲁棒稳定性,提出一种带有干扰观测器的闭环反馈系统对受控对象不确定性的鲁棒稳定性充分条件,在此基础上,通过选取满足此充分条件的加权函数,保证标准H∞干扰观测器设计方法对于受控对象参数变化具有鲁棒稳定性。利用加权函数选取的自由度,在干扰观测器的Q–滤波器设计中,实现其在截止频率上的高峰幅度与干扰抑制性能之间的最佳折衷,使得干扰观测器在满足其高峰幅度指标的条件下具有最优干扰抑制性能。 (3)研究了基于鲁棒Q–滤波器调度的干扰观测器的伺服控制系统,通过分析对象的状况及控制要求,实现在多个具有不同控制目的的Q–滤波器之间的切换。一般情况下,在一个具有固定低通滤波器的干扰观测器系统中,无振动无过调的平滑动态过渡特性和静态干扰抑制性能很难同时得到保证。本文提出了Q-滤波器调度干扰观测器:具有不同功能的多个Q-滤波器根据切换逻辑的结果被切换,使得系统具有无振动过渡特性和更精确的静态特性。所有Q–滤波器按照鲁棒干扰观测器设计方法设计,调度机构和切换逻辑的设计保证Q–滤波器切换的稳定性。 (4)对于上述干扰观测器设计方法,通过对现实控制问题的控制系统设计及实验结果,验证了本文所提出的鲁棒干扰观测器设计方法的有效性。


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